Artificiële intelligentie om het menselijk brein te redden

Stel dat u plots niet meer uit uw woorden komt, alles wazig wordt en u uw evenwicht niet meer kan behouden. Van de ene dag op de andere bent u uw onafhankelijkheid kwijt en moet u voor veel dingen terug vanaf nul beginnen. Een beroerte kan zich op verschillende manieren uiten, maar heeft altijd een drastische impact op het leven van alle betrokkenen. Wereldwijd overkomt dit 15 miljoen mensen per jaar. Iedereen kan erdoor getroffen worden, ongeacht leeftijd of geslacht. Een beroerte is een plotse aandoening waarbij de bloedtoevoer naar de hersenen wordt verstoord en kan al binnen enkele minuten leiden tot onherstelbare hersenschade. Het is dan ook van zeer groot belang dat de doorbloeding van de hersenen zo snel mogelijk wordt hersteld. Dat is waar dit onderzoek toe heeft bijgedragen.

Wanneer elke seconde telt

Iedereen hoopt wel op een goede gezondheid. We wensen het elkaar geregeld toe en het is een jaarlijks wederkerend thema in de nieuwjaarsvoornemens. Soms loopt het echter anders af en is een goede gezondheid niet meer vanzelfsprekend. Een beroerte is één van de aandoeningen die gelijk wie kan overkomen en een drastische impact heeft op de levenskwaliteit. In de behandeling is tijd essentieel en het is dus altijd een medisch noodgeval. Wanneer er niet genoeg bloed naar een bepaald deel van de hersenen stroomt, ontstaan er hier twee zones: de infarctzone met daarrond de penumbra. In de infarctzone zijn de hersencellen zodanig beschadigd dat deze niet meer kunnen herstellen. Hier is er dus permanente hersenschade. In de penumbra is er te weinig bloedtoevoer, maar indien de klonter op tijd kan worden verwijderd en er dus terug bloed kan stromen, wordt deze regio opnieuw gezond. Echter, de cellen in de penumbra takelen hoe langer hoe meer af en worden uiteindelijk ook deel van de infarctzone. Concreet betekent dit dat hoe sneller iemand met een beroerte kan behandeld worden, hoe meer kans op een gunstigere uitkomst. Daarom is het opmerkelijk dat vandaag de dag de behandeling nog steeds enkel in gespecialiseerde centra kan worden uitgevoerd en de patiënt niet simpelweg naar het dichtstbijzijnde ziekenhuis kan worden overgebracht.

Waarom kan een beroerte niet in elk ziekenhuis worden behandeld?

Er zijn twee belangrijke redenen waarom een beroerte niet overal kan worden behandeld. In de eerste plaats moeten er scans van de hersenen worden gemaakt die duidelijk de bloedsomloop weergeven. Het nemen van deze scans kan echter niet zomaar met gelijk welk toestel vermits er op enkele seconden tijd 20 scans moeten genomen worden. Vanuit deze scans worden nieuwe beelden, parametrische mappen, afgeleid die extra informatie geven in verband met de doorbloeding van de hersenen. Een voorbeeld is gegeven in onderstaande afbeelding. Een getrainde dokter kan hieruit opmaken waar het probleem zich bevindt en een inschatting maken van de ernst. Hierop baseert het medisch team zich om een beslissing te nemen over de behandeling. Deze interpretatie is echter complex en meteen een tweede reden waarom niet elk ziekenhuis in staat is een beroerte te behandelen.

Artificiële intelligentie: een nieuwe kijk op de behandeling

U vraagt zich misschien af of hier met de technologie van vandaag geen oplossingen voor bestaan. Dit is exact wat er in dit werk is onderzocht. In de eerste plaats werd de complexe afleiding en interpretatie van de parametrische mappen aangepakt. Na verschillende experimenten werd duidelijk dat deze stap kan worden vervangen. Met behulp van machinaal leren, een domein binnen artificiële intelligentie, kunnen er beelden worden afgeleid die een duidelijke omlijning geven van de infarctzone en de penumbra. Hiervoor is geen interpretatie meer nodig vermits het probleem zelf wordt weergegeven in plaats van parameters die het probleem karakteriseren.

Het machinaal leren bestaat erin een computermodel te trainen om de uitkomst te voorspellen. Door verschillende beelden in het model in te geven, samen met de omlijning van infarctzone en penumbra, wordt het model getraind om de relatie te begrijpen tussen wat er op de scans te zien is en de ernst en locatie van de verminderde bloedsomloop. Het model gaat dus leren hoe een infarctzone en een penumbra eruitzien. Op die manier kan het, wanneer er beelden van een nieuwe patiënt worden aangereikt, de locatie en het uitzicht van beide zones voorspellen. Een deel van het werk van de dokter wordt dus overgenomen door de computer. Alleen kan deze een inschatting maken die nauwkeuriger en objectiever is. Belangrijk is wel dat de dokter niet wordt vervangen door een computermodel, maar er juist wordt door bijgestaan. Het beslissen over de gepaste behandeling en de uitvoering ervan zijn nog steeds in handen van een medisch expert.

Dankzij deze nieuwe methode werd ook meteen het tweede struikelblok, de 20 scans, aangepakt. Het bleek mogelijk om het aantal scans te verminderen zonder te moeten inleveren op kwaliteit. Met de gegevens die in deze experimenten werden gebruikt, konden 12 scans, en in sommige gevallen zelfs 10 scans, nog voldoende informatie geven om dezelfde nauwkeurigheid te bekomen.

Nog niet voor morgen

Helaas kan dit niet onmiddellijk in de praktijk worden gebracht. Het onderzoek werd gevoerd binnen de limieten van een master thesis. Door beperkingen qua beschikbare data en tijd, is er eerst nog verder onderzoek nodig voordat dit werkelijk kan worden omgezet in een nieuw softwareprogramma voor ziekenhuizen. Dit onderzoek heeft wel de eerste grondslagen gelegd in deze richting.

Wel voor de toekomst?

De snelheid waarmee iemand met een beroerte kan worden behandeld, is van zeer groot belang. Het zou dan ook opportuun zijn de behandeling te kunnen uitbreiden van gespecialiseerde centra naar gelijk welk ziekenhuis. In dit werk is het potentieel aangetoond van een computermodel dat de dokter ondersteunt in het maken van de beslissingen voor de behandeling en dat toelaat het aantal scans te verminderen. Beide zouden ervoor kunnen zorgen dat niet enkel instellingen met een beroerteafdeling deze patiënten kunnen aannemen. Hopelijk kan dit worden verdergezet zodat mensen na een beroerte een beter kans krijgen op een goede levenskwaliteit.